DE2314112A1

DE2314112A1 - Verfahren zur verdampfung einer thermisch empfindlichen fluessigkeit und apparat zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2314112A1
Application number: DE19732314112
Authority: DE
Inventors: Stephen Frederick Bush; Michael John Shires
Original assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Current assignee: Imperial Chemical Industries Ltd
Priority date: 1972-03-29
Filing date: 1973-03-21
Publication date: 1973-10-11
Also published as: IT982652B; US3969449A; FR2178103B1; JPS4915680A; CA990209A; FR2178103A1; GB1422781A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verdampfung einer thermisch empfindlichen Flüssigkeit und einen Apparat für diese Verdampfung.

Eine thermisch empfindliche Flüssigkeit, auf die sich die vorliegende Erfindung besonders gut anwenden läßt, ist Adipinsäure, die bei der Herstellung von Adiponitril in Ammoniak-Gas hinein verdampft wird, worauf das Dampfgemisch in Gegenwart eines Dehydratisierungskatalysators umgesetzt wird. Bei dieser Adipinsäure-Verdampfung wurde schon eine Beeinträchtigung durch Bildung von Abfallprodukten, wie Cyclopentanon, Teere und Koks, festgestellt mit dem Resultat, daß Ausbeute und Qualität des Adiponitrils geringer waren als man wünschte, so daß manchmal besondere Reinigungsstufen erforderlich waren. Obgleich in der Vergangenheit Versuche unternommen wurden, dieses Problem insbesondere durch schnelle Verdampfung zu lösen, war man hierbei nicht allzu erfolgreich.

Es wurde gefunden, daß die Qualitätsminderung der Adipinsäure und insbesondere die Bildung von Kohlenstoff und teerigen Rückständen besonders dann auftreten, wenn die flüssige Säure mit einer heißen trockenen Fläche von Zeit zu Zeit in Berührung kommt. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren soll dieser Kontakt wesentlich verringert oder ganz ausgeschaltet werden.

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Erfindungsgemäß besteht das Verfahren zur Verdampfung einer thermisch empfindlichen Flüssigkeit darin, daß man in einen geschlossenen Raum

a) die Flüssigkeit durch einen Zerstäuber in Form feiner Tröpfchen und

b) ein erhitztes Gas unter einem Druck, der größer als der Druck in dem Raum ist, einleitet, so daß das Gas in dem Raum an Heizflächen vorbeizirkuliert und weiter erhitzt wird,

wobei die Heizflächen von dem Zerstäuber abgeschirmt sind und die Flüssigkeitströpfchen in dem von den Heizflächen abgeschirmten Teil des Raums verdampft werden und der Dampf aus dem Raum abgezogen wird.

Die Erfindung betrifft auch einen Apparat zur Verdampfung einer thermisch empfindlichen Flüssigkeit, bestehend aus einem Behälter mit einer zu einem Zerstäuber führenden Flüssigkeitsleitung, einer Einführungsöffnung für das erhitzte Gas , einer Dampfaustrittsöffnung sowie einer Heizung zur weiteren Gaserhitzung und einer den Zerstäuber von der Heizfläche abschirmenden Wand, die einen Teil des Behälters umgrenzt, in dem die zerstäubte Flüssigkeit verdampft wird.

Ein erfindungsgemäß besonders geeigneter Apparat besteht aus einem zylindrischen Behälter mit einer stirnseitig offenen zylindrischen Innenwand als Abschirmung, die zwischen sich und der Behälterwandung einen Ringraum begrenzt. Vorzugsweise sind die Behälterwandungen beispielsweise durch äußere Heizkörper beheizt und ist der Zerstäuber innerhalb der inneren Abschirmwandung angeordnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in dem in Figur 1 dargestellten Apparat durchgeführt werden. Nach dieser Figur ist ein senkrechter zylindrischer Behälter 1 mit einer

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in einer Düse 3 endenden Gaszuführungsleitung 2, einem in einer Flüssigkeitszerstäuberdüse 5 endenden Flüssigkeitszuführungsrohr 4-, einem Dampfaustrittsrohr 6 und einem Abzugsventil 7 zum Abblasen jeglicher überschüssiger Flüssigkeit aus dem Behälter ausgestattet. Die Wandungen des Behälters 1 sind mit äußeren Heizkörpern 8 versehen. Innerhalb des Behälters ist eine zylindrische Wandung 9 angebracht, die zwischen sich und den Behälterwandungen einen ringförmigen^Spalt bildet. Diese zylindrische Wand 9 hat von dem Boden und dem Deckel des Behälters Abstand, so daß der Hingspalt oben und unten vom Inneren des Behälters her zugänglich ist. Bei der Verdampfung von Adipinsäure in Ammoniak-Gas wird das Ammoniak durch die Düse 3 unter Druck in den Behälter eingeleitet, während die flüssige Adipinsäure durch die Flüssigkeitszerstäuberdüse 5 eingedüst wird. Der Druck, mit dem das Ammoniak eintritt, und die Geometrie des Verdampfers haben zur Folge, daß das eingeleitete Ammoniak zirkuliert und den Ringspalt aufwärts an der beheizten Wandung vorbeiströmt, wo es fühlbare Wärme aufnimmt und dadurch den Wärmeverlust infolge Erhitzung und Verdampfung der Adipinsäure ausgleicht. Die Zylinderwandung 9 verhindert, daß die Tröpfchen der flüssigen Adipinsäure von der Düse 5 auf die beheizten Behälterwandungen auftreffen. Das Dampfgemisch aus Ammoniak und Adipinsäure tritt durch die öffnung 6 aus. Die Umwälzgeschwindigkeit und demzufolge der Wärmeübergang sind von den besonderen Abmessungen des Durchmessers und der Länge der Düse 3, Durchmesser und Länge des Behälters 1 sowie Durchmesser der inneren Wandung 9 abhängig. Bei einem Behälter gegebener Größe ist die Umwälzgeschwindigkeit umgekehrt proportional dem Düsendurchmesser. Vorzugsweise liegt das Verhältnis

Abstand h zwischen Düse 3 und Boden des Behälters 1 Durchmesser d der inneren Wandung 9

zwischen 1,5 und 2.

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Obwohl es möglich wäre, die gesamte für die Flüssigkeitsverdampfung erforderliche Wärme aus dem erhitzten Gas zu decken, wäre hierzu entweder ein großes Verhältnis Gas : Flüssigkeit oder eine hohe Gastemperatur erforderlich. Solche hohen Gasverhältnisse oder hohen Temperaturen sind in mehrfacher Hinsicht unerwünscht. Bei der Verdampfung von Adipinsäure in Ammoniak zwecks Umsetzung der Mischung zu Adiponitril begrenzt man das Molverhältnis von Ammoniak zu Adipinsäure vorzugsweise auf 7 : 1 bis 10 : 1, vorzugsweise auf etwa 8 : 1 und die Temperatur des Ammoniaks auf 4-00 bis 480 C, vorzugsweise auf etwa 450 C. Unter diesen Bedingungen müssen etwa 2/3 der erforderlichen Wärme durch die Behälterheizung zugeführt werden. Für einen reibungslosen Betrieb liegt der Druck in dem Behälter etwas über Atmosphärendruck, beispielsweise zwischen 0 und 1 atü. Höhere Drucke als diese sind möglich. Die Gaszirkulation in dem Behältei|hängt davon ab, daß das in den Behälter einströmende Gas einen höheren Druck als das in dem Behälter befindliche Gas aufweist. Zweckmäßigerweise ist die Druckdifferenz so groß, daß das Gas die Einleitungsdüse mit einer Geschwindigkeit bis hinauf zur Schallgeschwindigkeit verläßt. Dies erfordert ein absolutes Druckverhältnis von Einleitungsdüsendruck zu Behälterdruck von 1,6 bis 2,4, vorzugsweise etwa 2. Die Breite des Ringspaltes zwischen der Abschirmwandung und der Behälterwandung variiert in Abhängigkeit von der Behältergröße. Vorzugsweise beträgt die Spaltbreite 2 bis 20 % des Behälterdurchmessers.

Die beschriebene Anordnung erlaubt eine hohe Gasumwälzung in dem Behälter. Beispielsweise ist eine 5 bis 50 fache Gasumwälzung durch den Ringraum möglich.

Bei der Verdampfung von Adipinsäure in Ammoniak-Gas wird die Adipinsäure vor Zuleitung an die Zerstäuberdüse vorzugsweise vorgewärmt. Die Eintrittstemperaturen der Adipinsäure liegen zweckmäßigerweise in dem Bereich von 150 bis 300⁰C, vorzugsweise in dem Bereich von 180 bis 25O⁰G. Das in den Behälter einströmende Ammoniak wird ebenfalls vorgewärmt, vorzugsweise auf eine Tempera-

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tür in dem Bereich von 400 bis 480⁰C. Bei einem Molverhältnis von Ammoniak zu Adipinsäure von 8 : 1 verdampft die Adipinsäure bei einer Temperatur von etwa 275⁰C. Die Innenwand 9 des Behälters wirkt als eine zusätzliche Wärmeübergangsfläche und verbessert die Geschwindigkeit des Wärmeüberganges auf das Gas. Die Wand 9 erreicht keine so hohe Temperatur, daß eine übermäßige Qualitätsminderung der auf sie auftreffenden Adipinsäure-Tröpfchen eintreten kann. Im Betrieb liegen die Temperaturen der inneren Wandung gewöhnlich in dem Bereich von 320 bis 39O⁰C. Die Wandungen des Behälters werden zweckmäßigerweise auf eine Temperatur in dem Bereich von 400 bis 55O°C erhitzt.

Bei der Verdampfung der Adipinsäure in Ammoniak-Gas auf die vorbeschriebene Weise ist die Bildung von Kohlenstoff-Ablagerungen auf den Wärmeübergangsflächen des Verdampfers vernachlässigbar gering. Der Abbau, der durch Messung des Verhältnisses von Kohlendioxid zu Adipinsäure in dem Ausgangsgas bestimmt wurde, ist gering. Es übersteigt normalerweise nicht 2,0 % und ist in den besten Fällen nicht größer als 0,7 %· Die Mitnahme von Flüssigkeit oder Feststoff mit dem Ausgangsgas ist sehr gering und übersteigt gewöhnlich nicht 5 ppm bezogen auf das Gewicht. Das Abblasen der Flüssigkeit vom Boden des Verdampfers ist gewöhnlich gleich null. Die Wärmedurchgangszahlen sind hoch und liefen in der Größenordnung von 215 bis 376 CHU/h«m²-°G. (20 Ils 35 CHU/h»ft^2#oC).

Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise auch in dem in Figur 2 dargestellten Apparat erfolgen. Der senkrechte zylindrische Behälter 11 ist mit einer Flüssigkeitszuführungsleitung 12 ausgestattet, die zu einer pneumatischen Zerstäuberdüse 13 führt. Die Düse 13 ist auch an eine Zuführungsleitung 14 für das Zerstäubergas angeschlossen. Der Behälter 11 ist ferner mit einer in einer Düse 16 endenden Zuführungsleitung 15 für das unter Druck stehende Gas, einer Dampfaustrittsleitung 17 und einem Abblaseventil 18 zum Abziehen überschüssiger Flüssigkeit aus dem

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Behälter versehen. Die Behälterwandungen sind mit einer Außenheizung 19 ausgestattet. Innerhalb des Behälters ist eine zylindrische Wand 20 angeordnet, die zwischen sich und der Behälterwandung einen Ringspalt bildet und von dem Boden und der Deckenwandung des Behälters auf Abstand gehalten ist, so daß der Ringspalt oben und unten vom Behälterinnenraum her zugänglich ist. Eine Prallplatte 21 ist so angebracht, daß der Ammoniakstrahl auf sie auftrifft»

Bei der Verdampfung von Adipinsäure in Ammoniak-Gas strömt das Ammoniak durch die Düse 16 unter Druck in den Behälter, während die flüssige Adipinsäure durch die pneumatische Zerstäuberdüse zusammen mit dem Zerstäubergas in den Behälter eintritt. Das Zerstäubergas ist ebenfalls Ammoniak, obgleich auch andere Zerstäubergase, z.B. Stickstoff, verwendet werden können. Der Druck, mit dem der Primärstrom des Ammoniaks 15,16 eintritt und die Geometrie des Verdampfers bewirken, daß der Ammoniak-Eintrittsstrom von der Düse 16 zirkuliert und den Ringspalt abwärts längs der beheizten Wandungen strömt, wo er fühlbare Wärme aufnimmt. Die Wand 20 verhindert, daß Tröpfchen flüssiger Adipinsäure auf die beheizten Behälterwandungen auftrifft. Das Dampfgemisch aus Ammoniak und Adipinsäure tritt durch Austrittsöffnung 17 aus.

Die Verdampfungsbedingungen in diesem zweiten Apparat sind denen sehr ähnlich, die schon für den ersten Apparat angegeben wurden. Typische Betriebsbedingungen sind:

Ammoniakeingangsdruck Behälterdruck

Ammoniakeintrittstemperatur Adipinsaureeintrittstemperatur Gasaustrittstemperatur Wandungen erhitzt auf

1,75 bis 3,5 kg/cm 0,35 bis 1,75 "

180⁰C

bis 480⁰C

450 bis 55O⁰C

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Der Anteil des zur Zerstäubung der Adipinsäure in der pneumatischen Zerstäuberdüse benötigten Ammoniaks liegt bei etwa "*> Gew.-# der zu zerstäubenden Adipinsäure. In einem derartigen Apparat geeigneter Größe ist es möglich, 1590 kg/h Adipinsäure in 1590 kg/h Ammoniak zu verdampfen, wovon 90,6 kg/h Ammoniak zur Zerstäubung der Adipinsäure verwendet werden.

Der in Figur 2 dargestellte Apparat ist jedoch nicht ganz so thermisch wirksam wie der Apparat nach Figur 1, weil seine Umwälzströmung entgegengesetzt der Strömung gerichtet ist, die sich bei Naturumlauf ergeben würde. Der Apparat nach Figur 1 hat auch den Vorteil, daß die Austrittsgase vom heißesten Teil des Behälters abgezogen werden.

Es ist ein Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß thermisch empfindliche Flüssigkeiten mit einem Mindestmaß an Zerstörung und ohne die bei intermittierendem Auftreffen wärmeempfindlicher organischer Flüssigkeiten auf heiße trockene Flächen oft auftretende Bildung von Koks oder nicht flüchtigen Teeren auf den Wärmeübergangsflächen verdampft werden kann. Das Verfahren kann ohne wesentliches Abblasen aus dem Verdampfer betrieben werden. Diese Vorteile sind besonders ausgeprägt bei Gasaustrittstemperaturen von 35O°C und darüber. Der bei dem Verfahren benutzte Apparat ist einfach und hat keine bewegten Teile. Obwohl das Verfahren speziell für die Verdampfung von Adipinsäure in Ammoniak anwendbar ist, eignet es sich auch zur Verdampfung anderer thermisch empfindlicher Flüssigkeiten, beispielsweise Toluoldiisocyanat, und | auch beispielsweise bei dem Verfahren der Sprühtrocknung.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele näher erläutert, aber in keiner Weise begrenzt. Teil- und Prozentangaben beziehen sich auf das Gewicht.

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Beispiele 1 bis 8

Der in Figur 1 dargestellte und vorstehend beschriebene Apparat wurde zur Verdampfung von Adipinsäure in Ammoniak verwendet. Der Apparat hatte einen Durchmesser von 30,5 cm und eine Höhe von 4-5,75 cm. Die Breite des Ringspaltes wurde variiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 angegeben.

Beispiele 9 und 10

Der in Figur 2 dargestellte und vorstehend beschriebene Apparat wurde zur Verdampfung von Adipinsäure in Ammoniak verwendet. Der Apparat hatte einen Durchmesser von 130 cm und eine Höhe von 305 cm. Die Breite des Ringspaltes wurde variiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 2

Beispiel Nr.	9	10
Zufuhrgeschwindigkeit Adipins.kg/h	1815	1450
it Ammoniak kg/h	1815	1540
Eintrittstemperatur Adipins. C	187	188
» Ammoniak C	465	480
Gasaustrittstemperatur ⁰C	3?0	330
Eingangsdruck Ammoniak kg/cm'	1,8?	1,47
Gasausgangsdruck kg/cm*	0,49	0,70
Abbau %	2,2	1,2
Wärmedurchgangs ζ ahl	22,2	19,9

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O CD CD

O CO CO

	Tabelle	1	2	1	3	4	5	6	7	8
Beispiel Nr.	2,54	1,27	1,27	1,27	1,27	5,08	1,27	1,27
Breite des Ringspaltes cm	9,05	8,60	9,28	9,05	9,05	9,05	10,80	10,97
Zufuhrgeschwindigkt. Adipins.kg/h	8,60	8,38	8,74	11,05	6,39	8,88	11,05	11,37
» Ammoniak kg/h	191	248	188	190	188	191	190	192
Eintrittstemperatur Adipins. ⁰C	431	44^	443	440	442	430	402	411
» Ammoniak C	374	575	368	377	393	377	358	359
Gasaustrittstemperatur °C	1,47	1,54	1,47	2,10	1,12	1,68	1,82	2,38
* Eingangsdruck Ammoniak kg/cm'	0,49	0,6*	0,49	0,70	0,^5	0,56	0,98	0,84
Gasausgangsdruck kg/cm"	1,5	—	0,8	0,7	2,2	1,0	0,8	0,9
Abbau %	28,7	28,0	25,6	33,0	32,8	30,2	26,1	24,5
Wärmedurchgangszahl	—	37	33	24	27	22	30	28
Umwälzverhältnis durch Ringraum

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Verdampfung einer thermisch empfindlichen Flüssigkeit in ein erhitztes Gas, dadurch gekennzeichnet, daß man in einen geschlossenen Raum

a) die Flüssigkeit durch einen Zerstäuber in Form feiner Tröpfchen und

b) das erhitzte Gas unter einem den Druck in dem Raum übersteigenden Druck einleitet, so daß das Gas in dem Raum an Heizflächen vorbeizirkuliert und weiter erhitzt wird, wobei die Heizflächen von dem Zerstäuber abgeschirmt sind und die Flüssigkeitströpfchen in dem von den Heizflächen abgeschirmten Teil des Raumes verdampfen.

2. Apparat zur Verdampfung einer thermisch empfindlichen Flüssigkeit nach dem Verfahren nach Anspruch 1, bestehend aus einem Behälter, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1,11) mit einer in einem Zerstäuber (5,13) endenden Zuführungsleitung (4,12) für die Flüssigkeit, einer Zuführung (2,15) für erhitztes Gas, einer Dampfaustrittsleitung (6,17), einer Heizung (8,19) zur weiteren Gaserhitzung und einer zwischen Zerstäuber (5,13) und Heizung (8,19) angeordneten Abschirmwand (9,20) versehen ist, die den Teil des Behälterinnenraumes umgibt, in dem die zerstäubte Flüssigkeit verdampft.

~*>. Apparat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung des senkrechten zylindrischen Behälters beheizt ist und die Abschirmung eine stirnseitig offene zylindrische Innenwand (9,20) ist, die zwischen sich und der Behälterwandung einen Ringraum begrenzt.

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